二碳酸二叔丁酯是一種廣泛用于有機合成的試劑。由于這種化合物可以被正式視為由叔丁氧羰基（Boc）基團衍生出來的酸酐，所以通常被稱為Boc酸酐。這種焦碳酸鹽與胺反應，產生N-叔丁氧羰基或所謂的Boc衍生物。這些氨基甲酸酯衍生物不表現為胺，這使得某些后續的轉化可以發生，而這些轉化將與胺的官能團不相容。后來，Boc基團可以用中等強度的酸（如三氟乙酸）從胺中去除。因此，Boc可以作為一個保護基，例如在固相肽合成中。受Boc保護的胺對大多數堿和親核劑沒有反應，因此可以使用芴甲氧羰基（Fmoc）作為正交保護基。

二碳酸二叔丁酯價格低廉，所以通常都是購買。傳統上，這種化合物是由叔丁醇、二氧化碳和光氣制備的，使用DABCO作為堿。歐洲和日本的公司使用叔丁醇鈉與二氧化碳的反應，在對甲苯磺酸或甲磺酸的催化下進行。這個過程包括對粗制材料進行蒸餾，產生非常純凈的等級。Boc酸酐也可作為70%的甲苯或四氫呋喃溶液提供。由于Boc酸酐在環境溫度下可能會融化，因此有時會通過使用溶液來簡化其儲存和處理。胺的保護和脫保護在水性條件下，可以使用二碳酸二叔丁酯在堿（如碳酸氫鈉）的存在下將Boc基團添加到胺中。胺的保護也可以在乙腈溶液中使用4-二甲氨基吡啶（DMAP）作為堿來完成。去除氨基酸中的Boc可以用強酸，如三氟乙酸，或在二氯甲烷中，或在甲醇中用鹽酸來完成。一個復雜的問題是，T-丁基陽離子的中間物有烷基化其他親核物的趨勢；可以使用清除劑，如茴香醚或硫代茴香醚。在有其他保護基的情況下，使用AlCl3可以選擇性地裂解N-Boc基。在乙腈中與三甲硅基碘化物反應，然后再與甲醇反應，是一種溫和且通用的去保護Boc保護的胺的方法。在二氯甲烷中三氟乙酸存在的情況下，使用三乙基硅烷作為碳原子清除劑已被證明可以提高產量，減少反應時間。在有其他酸敏保護基團（如芐氧羰基、9-芴甲氧羰基、O-和S-芐基和t-丁基硫基）存在的情況下，對被保護的氨基酸和肽中的t-丁基酯和t-丁氧羰基部位的脫保護有更好的選擇性。

使用t-boc酸酐完成了從2-哌啶酮開始的6-乙酰基-1,2,3,4-四氫吡啶的合成，這是一種重要的面包香氣化合物。見Maillard反應）。該反應序列的xxx步是在乙腈中使用DMAP作為催化劑，通過酰胺氮與boc酸酐的反應形成氨基甲酸酯。由于二碳酸二叔丁酯在加熱后會分解成氣態產品，因此也可作為聚合物發泡劑使用。

二碳酸二叔丁酯的瓶子在密封的容器中會產生內部壓力，這是因為它在有水分的情況下會緩慢地分解成碳酸二叔丁酯，最終分解成叔丁醇和二氧化碳。由于這個原因，它通常被出售和儲存在塑料瓶中，而不是玻璃瓶。該試劑的主要危害是其吸入性毒性。大鼠4小時內的致死濃度中值為100毫克/立方米，與光氣的致死濃度相當（大鼠50分鐘內為49毫克/立方米）。